奥地利空间研究所的 Günter Kargl 博士讨论了奥地利彗星物理实验室（Comet Physics Laboratory，简称CoPhyLab）项目对太空研究的重要贡献。该项目是多国空间研究机构的合作成果。CoPhyLab正在帮助科学界更好地理解欧空局的罗塞塔任务的重要发现。
Günter Kargl 博士
2021 年 11 月 30 日
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彗星是徘徊在我们太阳系边缘的小型冰状物体。它们一直令人类着迷。在古代，它们被认为是变化和灾难的先兆。虽然在中国和美索不达米亚有关于扫帚星或客星的书面记录，但它们的真实性质长期以来一直是一个无法解开的谜。早在巴比伦时期，它们反复出现的性质就已经被记录在泥板上了——尤其是今天被称为哈雷彗星的彗星。这颗彗星在中世纪的意大利天空中再次出现，并使乔托受到启发将其纳入他的耶稣诞生画中。诸如此类的描述引发了人们的猜测，即伯利恒之星也许是超新星或彗星——甚至可能是哈雷彗星。
只有随着现代天文学的兴起和望远镜的使用，才可以确定彗星不是一种大气现象，而是在天空中穿梭的小天体，有时还会穿越我们太阳系的内部。现代天文学使人们能够更好地了解彗星的一般结构。当彗星接近太阳时，其内部彗核是气体和尘埃的活跃来源。
彗发是由彗核产生的气体和尘埃组成的云状包层。慧发的长度可达数十万公里，在剧烈爆发后甚至可以达到超过太阳的直径。然而，由于太阳光会电离彗发中的大部分气体，这些离子会被太阳风的带电粒子带走。于是，彗星的离子尾巴就形成了，并且紧跟着太阳风。彗发中的尘埃也在开普勒轨道上远离原子核。这样，一颗活跃的彗星就会形成两条截然不同的尾巴，它们可以从彗核延伸出数百万公里远。
光谱学的发明使科学家能够确定活跃彗星的彗发和气体尾部的成分。由于这些远程光谱观测中最突出的成分是水，因此人们认为彗星完全由水冰组成。著名天文学家惠普尔（Fred Whipple）提出了“脏冰球”一词，直到第一次太空任务飞近哈雷彗星时才使用这个词。欧洲空间局（简称欧空局、ESA）的乔托任务揭示了一个非常黑暗和复杂的物体，而它不符合当代关于彗星的假设。
为了更详细地研究彗星及其形成并更好地了解整个太阳系，欧空局的罗塞塔任务诞生了。面对这样陌生且未知的环境，从构思到完成设计需要十几年的时间。终于，经过十年的飞行也是任务开始二十多年后，罗塞塔探测器和菲莱登陆器于2014 年抵达67P/丘留莫夫－格拉西缅科彗星（67P Churiomov-Gerasimenko），以研究其核心和彗星周围的环境。该任务在收集新数据方面相当成功，包括发现了一些彗星颗粒比太阳系更古老，可以追溯到原行星云的形成过程。此外还发现彗星水中的同位素比率与地球上的水有很大不同，因此彗星不是我们星球的主要水源。一幅新的、更全面的关于彗星的真实面貌浮出水面：它们更像是具有复杂表面拓扑结构的冰脏球，是我们太阳系中最暗的天体之一。
然而，尽管罗塞塔任务相当成功，但任务的一些数据仍然让科学家们颇为费解。例如原子核表面的活动。现有模型无法解释某些行为模式。太空任务的一个更普遍的问题是我们有许多非常复杂的传感器和仪器，在太空中有助于测量的不同参数的分离有时不受仪器操作员的控制。这并非操作员或仪器设计的关系，而是因为大自然本身进行着相互关联的过程，且太空环境非常复杂。因此，在实践中，有三种方法可以解决这类问题： 一、使用可为此类环境设计的最佳仪器进行实际测量； 二、物理模型及其数学描述用于解释测量并更好地理解观察到的现象；三、实验室实验，试图分离各个参数，以更好地了解现象及其对彗星整体行为的贡献。
奥地利科学院的CoPhyLab（彗星物理实验室）项目涉及这种类型的实验室实验，以更好地了解罗塞塔任务所发现的收获。最初的项目合作伙伴是德国布伦瑞克工业大学、奥地利科学院空间研究所和瑞士伯尔尼大学。目的是在布伦瑞克建立一个专门的彗星实验室。与此同时，德国航空航天中心（DLR）、马克斯·普朗克太阳系研究所、中国科学技术研究院等其他合作伙伴也加入了该项目。
在这个项目中可以进行各种实验室实验，例如超过十四台仪器可以同时观察热真空室内的样品材料。观测范围从简单的温度测量到使用质谱仪和多摄像头系统（例如红外成像）的测量，再到用于观测粒子从表面喷射的高速摄像机。另一个新方面是腔室内的操纵机器人，它可以在高真空条件和低至 -200°C 的温度下工作，使传感器靠近样品表面甚至进入样品内部。
彗星过程实验室实验的一个特殊挑战是材料的选择。由于地球上没有直接的彗星物质，因此必须使用所谓的“模拟材料”。这些是地球上容易获得或生产的材料。人们的目的不是要精确复制真正的彗星材料，而是需要在某些过程中具有可比行为的材料。这是相当困难的，因为在彗核中发现的材料特性可以从微小、多孔和蓬松（如香烟灰）到像岩石一样坚硬的巨石。此外，由于冰升华或热循环等过程，材料特性可以从一个极端变成另一个极端。当然，多年来各个实验室对实验材料的选择是多种多样的。这使得比较不同测量活动的实验结果变得更加困难。
因此，CoPhyLab的目标之一是为彗星模拟材料的冰和矿物成分制定标准。基于 NASA 的努力，此类标准已经存在一段时间，适用于月球或火星表面风化层。这样的彗星模拟材料标准随后可以发布并提供给世界各地的其他实验室，以促进测量数据的交换并更好地了解彗星过程。
有关该项目和 ESA 彗星任务的更多信息，请访问：
CoPhyLab: www.cophylab.space
欧空局乔托号任务： https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Giotto_overview
欧空局罗塞塔任务： https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Rosetta
